具有消散斑功能的雷射投影系統的製作方法
2023-12-09 23:31:06 2
具有消散斑功能的雷射投影系統的製作方法
【專利摘要】一種具有消散斑功能的雷射投影系統，由多個雷射器、合束勻光器、擴束器、相位擴散器、勻光器、光束整形器、投影晶片、投影鏡頭、以及一系列透鏡組成。多個雷射器為投影系統提供光源，合束勻光器將來自不同雷射器的雷射合束壓縮並充分混合，擴束器將合束勻光後的雷射擴束，並通過透鏡以適當角度投射到相位擴散器上。相位擴散器對投射到相位擴散器上的雷射按空間位置加上隨機相位，並以一發散角耦合到勻光器中，再次充分混合。光束整形器將來自勻光器的光整合成與投影晶片一致的光束，並通過投影鏡頭將投影晶片上產生的圖像投影到屏幕。通過本發明，雷射光束的相干性大大減弱，從而達到消散斑的效果，並保證投影系統具有足夠亮度的雷射能量。
【專利說明】具有消散斑功能的雷射投影系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及以雷射為光源的投影系統的消散斑設計，尤其涉及一種具有消散斑功能的雷射投影系統。在該雷射投影系統中，消除了由於雷射的高相干性而產生的散斑，以達到雷射顯示應有的高畫質。
【背景技術】
[0002]雷射是一種具有高亮度、發射單色相干光束的光源。這些特性使雷射非常適合用於雷射顯示的光源。雷射顯示可為客戶提供高功率的照明和飽和的色彩。然而，雷射的相干性可能會導致一種現象，稱為雷射散斑。例如，雷射由不同表面散射的相干光的幹涉，會形成散斑圖樣。因此，當期望用雷射器提供具有良好的色彩、明亮的圖像時，如果不進行有效的消散斑，圖像質量可由於雷射散斑而劣化。
[0003]目前，已經披露了各種雷射消散斑技術。例如，一種方法是增加雷射器的縱模數量，即增加雷射器的線寬，降低雷射器相干性，以達到消散斑的目的。但是這種方法需要改變雷射器本身的特性，因而不是對任何雷射器都適用。比如目前市場上的二極體泵浦固體雷射器(綠光)的線寬就很難被增加。
[0004]另一種方法是改變雷射的偏振方向，以減少雷射的幹涉效應，達到消散斑的目的。例如，見美國專利號 US3, 633，999，Middle Court, Middle Court, 「Removing specklepatterns from objects」，1970 年 7 月 27 日；US4, 511，220A, Charles N.Scully, 「Lasertarget speckle eliminator」，1982 年 12 月 23 日；和 US7, 715, 084B2, Scott McEldowney等人，「Retarder-based despeckle device for laser illuminat1n systems，，, 2009 年4月15日。但是一般情況下，這種做法較笨重，並且消散斑的效果也很有限。
[0005]還有一種方法是將雷射器在空間排成陣列，提供空間非相干照明，以達到消散斑的目的。不幸的是，這種方法價格昂貴，而且現實中並不總是可行的，因為許多投影機需要採用幾十、甚至幾百隻雷射器。將如此多的雷射器在空間排列，並且將所有雷射都有效地投射到只有釐米量級、甚至亞釐米量級的投影晶片上，現實上非常困難。
[0006]還有另一種方法是通過產生許多不同的帶有散斑的圖樣，並對這些圖樣進行時間平均，以減少雷射散斑。例如，一種方法是採用振動顯示屏。但是，對於一個大型投影屏幕，這是不實用的。因此，更常見的方法是使用一個外部光學元件，如擴散器(例如，見J.W.Goodman 等人，「Speckle reduct1n by a moving diffuser in laser project1ndisplays,，，Annual Meeting of the Optical Society of America, Rhode Island, 2000年)、相位板(例如，見美國專利US6, 323，984B1, Jahja 1.Trisnadi,「Method and apparatusfor reducing laser speckle」，2000年 10月 11 日 jPUS6，747，781B2,Jahja 1.Trisnadi,「Method, apparatus, and diffuser for reducing laser speckle，，, 2001 年 7 月 2 日)、或隨機衍射光學兀件(例如，見 L.Wang 等人，「Speckle reduct1n in laser project1nsystems by diffractive optical element, ^Appl.0pt.37,第 177-1775 頁，1998 年)。隨著時間的推移，通過振動或旋轉，可以產生多個不同相位的圖樣。擴散器的相位也可以通過加在擴散器上的電壓來控制。例如，美國專利US2008/0106779Al，Mark DavidPeterson, David Ell1tt Slobodin, 「Laser Despeckle Device」，2007 年 10 月 31 日。這樣，無需振動或旋轉擴散器本身，即可改變通過擴散器的雷射的相位，提高了系統的穩定性。
[0007]然而，文獻中披露的消散斑主要針對單一雷射器(作為光源)。因為許多高亮度的投影機需要採用幾十、甚至幾百隻雷射器，所以需要採用新的消散斑方法來實現多個雷射光源的有效消散斑。
【發明內容】
[0008]本發明旨在提供一種有效的消散斑方法和具有消散斑功能的雷射投影系統，適用於以雷射為光源的投影系統，特別是基於多個雷射器為光源的投影系統。
[0009]根據本發明的具有消散斑功能的雷射投影系統由多個雷射器1、合束勻光器2、擴束器3、相位擴散器5、勻光器7、光束整形器8、投影晶片9、投影鏡頭10、以及一系列透鏡4、6組成。多個雷射器為投影系統提供具有足夠亮度的光源，合束勻光器將來自不同雷射器的雷射進行合束壓縮並充分混合，擴束器將合束勻光後的雷射按照相位擴散器的大小進行擴束，並通過透鏡以適當的角度投射到相位擴散器上。相位擴散器對投射到相位擴散器上的雷射按空間位置加上隨機相位，並以一定的發散角通過另一透鏡耦合到勻光器中，進行充分混合。光束整形器將來自勻光器的光整合成與投影晶片形狀、大小一致的光斑(一般為方形或長方形)，並通過投影鏡頭將投影晶片上產生的圖像投影到屏幕。通過本發明的合束、勻光、擴束、相位擴散、再勻光過程，雷射光束的相干性大大減弱，從而達到消散斑的效果，並能保證投影系統所需的具有足夠亮度的雷射能量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]根據下面給出的詳細描述，結合附圖，本發明將被更充分地理解。在附圖中:
[0011]圖1是本發明的基於多個雷射器、具有消散斑功能的雷射投影系統的第一實施例結構圖(光學部分)。
[0012]圖2是本發明的具有消散斑功能的雷射投影系統第二實施例結構圖。
[0013]圖3是本發明的具有消散斑功能的雷射投影系統第三實施例結構圖。
[0014]圖4是本發明的具有消散斑功能的雷射投影系統第四實施例結構圖。
[0015]圖5是本發明的具有消散斑功能的雷射投影系統第五實施例結構圖。
[0016]圖6是本發明的具有消散斑功能的雷射投影系統第六實施例結構圖(合束勻光部分)。
[0017]圖7是本發明的具有消散斑功能的雷射投影系統第七實施例結構圖。
[0018]圖8是本發明的具有消散斑功能的雷射投影系統第八實施例結構圖。
[0019]圖9是本發明的具有消散斑功能的雷射投影系統第九實施例結構圖。
【具體實施方式】
[0020]圖1示意性地示出了本發明的基於多個雷射器、具有消散斑功能的雷射投影系統的第一實施例結構圖(光學部分)。雷射投影系統由多個雷射器11、合束勻光器12、擴束器13、相位擴散器15、勻光器17、光束整形器18、投影晶片19、投影鏡頭10、以及一系列透鏡
14、16組成。多個雷射器為投影系統提供具有足夠亮度的光源，合束勻光器將來自不同雷射器的雷射進行合束壓縮並充分混合，擴束器將合束勻光後的雷射按照相位擴散器的大小進行擴束，並通過透鏡以適當的角度投射到相位擴散器上。相位擴散器對投射到相位擴散器上的雷射按空間位置加上隨機相位，並以一定的發散角通過另一透鏡耦合到勻光器中，進行充分混合。光束整形器18將來自勻光器的光整合成與投影晶片形狀、大小一致的光斑(一般為方形或長方形)，並通過投影鏡頭將投影晶片上產生的圖像投影到屏幕。通過本發明的合束、勻光、擴束、相位擴散、再勻光過程，雷射光束的相干性大大減弱，從而達到消散斑的效果，並能保證投影系統所需的具有足夠亮度的雷射能量。
[0021 ] 雷射器的波長可以是相同的(例如532nm)，也可以是不相同的(例如635nm、532nm、445nm)。目前一般單管紅綠藍雷射器功率分別為0.5瓦、I瓦、I瓦。所以在高亮度投影機中，通常需要採用幾十隻、甚至幾百隻雷射器。投影晶片19 一般採用單片DigitalLight Processing (數字光處理，DLP), 3DLP, Liquid Crystal on Silicon (娃上液晶,LCOS)，或3LCD等方式。不同的投影方式，通常採用不同的光路。消散斑可根據圖1所示方法對三色光分別進行，然後將三束光合併後，射入投影晶片。這時，需要三套光路來分別實現三色光的消散斑。也可以根據圖1所示方法對三色光同時進行處理。這時，只需要一套光路來實現三色光的消散斑。相位擴散器15可以是透射型的(如圖1所示)，也可以是反射型的。如採用反射型相位擴散器，部件16、17、18、19和10需適當調整，以便有效接受來自相位擴散器反射或透射的光。為了描述方便和便於理解，以下假設雷射器的波長相同(例如532nm),相位擴散器15為透射型。
[0022]現分析雷射通過各部件後的空間相位、強度分布。在合束勻光器12之前，在垂直於光軸的截面上，由於空間各點的光來自不同的雷射器，各雷射器的光束大小有限，所以強度分布不均勻，且來自同一雷射器的光斑的相位具有很強的相干性，即散斑效應嚴重。雷射經過合束勻光器12之後，來自不同的雷射器的光得到充分混合，因此強度分布均勻性大大提高。空間某一點的光強來自不同的雷射器，但來自同一雷射器的光強部分仍然具有很強的相干性，即散斑效應依然存在。為了使來自不同的雷射器的光得到充分混合，在合束勻光器12中的光束直徑不宜過大。因此，雷射通過合束勻光器12後，需通過擴束器13擴束、準直，然後通過透鏡14準確地匯聚到相位擴散器15之上。相位擴散器15可以看成包含有一個nXm矩陣的多個單元格。各單元的相位可由加在相位擴散器15上的電壓控制，並且可互不相干。因此，相位擴散器15可以看成一片隨機相位模板。當雷射通過相位擴散器15後，空間某一點的光強來自不同的雷射器，且具有與其他點不相干的相位，即雷射的空間相干性已大大減弱。這些具有隨機相位的雷射通過透鏡16被耦合入勻光器17進行再次混合後，空間某一點的光強既有來自不同雷射器部分，又有來自同一雷射器但具有不同相位的部分。因此，雷射的空間相干性已徹底被破壞，即散斑效應已被消除。這些光經過光束整形器18被整形成與投影晶片19 一致的方形或長方形後，投入投影晶片，產生圖像，並通過投影鏡頭10放大後投射到屏幕，形成高畫質圖像(即經過消散斑的圖像)。
[0023]圖2示意性地示出了本發明第二實施例的結構圖。N個波長為532nm的雷射器21構成光源，排列於一圓弧28上。來自這些雷射器的雷射以不同角度射入光束壓縮器22。為了提高雷射的耦合效率，光束壓縮器22的入射面的中心與圓弧的中心重合。為了採用儘可能多的雷射器，使用的雷射器的尺寸應儘可能小。例如，可使用南京長青雷射科技有限公司的I瓦迷你雷射器。另外，使用的光束壓縮器22的接收角應儘可能大。例如，EdmundOptics的接收角為25。或40。的Compound Parabolic Concentrator (複合拋物面聚光器，CPC)。從使用的光束壓縮器22出射的雷射經過透鏡23被耦合入勻光器24，進行光混合。之後，經透鏡25擴束，透鏡26匯聚後，進入相位擴散器27。可見，第二實施例中的光束壓縮器22、透鏡23、勻光器24,相當於第一實施例中的合束勻光器,第二實施例中的透鏡25相當於第一實施例中的擴束器。
[0024]圖3示意性地示出了本發明第三實施例的結構圖。N個波長為532nm的雷射器31構成光源，排列於一圓弧38上。來自這些雷射器的雷射以不同角度射入光束壓縮器32。為了提高雷射的耦合效率，光束壓縮器32的入射面的中心與圓弧的中心重合。為了採用儘可能多的雷射器，使用的雷射器的尺寸應儘可能小。例如，可使用南京長青雷射科技有限公司的I瓦迷你雷射器。另外，使用的光束壓縮器2的接收角應儘可能大。例如,Edmund Optics的接收角為25°或40°的Compound Parabolic Concentrator (複合拋物面聚光器，CPC)。從使用的光束壓縮器32出射的雷射經過透鏡33擴束、透鏡34匯聚後，進入相位擴散器35。於第二實施例相比，第三實施例中省略了勻光器，因此成本會有所降低，但消散斑效果會低一點。該結構對線寬相對寬的雷射器較有效，因為寬線寬雷射器的消散斑會相對容易一些。
[0025]圖4示意性地示出了本發明第四實施例的結構圖。N個波長為532nm的雷射器41構成光源，排列於一圓弧48上。來自這些雷射器的雷射以不同角度射入勻光器42。為了提高雷射的耦合效率，勻光器42的入射面的中心與圓弧的中心重合。為了採用儘可能多的雷射器，使用的雷射器的尺寸應儘可能小。例如，可使用南京長青雷射科技有限公司的I瓦迷你雷射器。另外，使用的勻光器42的接收角應儘可能大。例如，Edmund Optics的大數值孔徑用Light Pipe Homogenizing Rod (光管均質杆)。從勻光器42出射的雷射經過透鏡43擴束、透鏡44匯聚後，進入相位擴散器45。與第二實施例相比，第三實施例中省略了光束壓縮器，因此成本會有所降低，但能採用的雷射器個數會少一點。該結構對亮度要求不那麼高的投影儀系統較有效。
[0026]圖5示意性地示出了本發明第五實施例的結構圖。N個波長為532nm的雷射器51構成光源，排列於一圓弧58上。來自這些雷射器的雷射以不同角度射入透鏡52，經透鏡53匯聚後，進入相位擴散器54。於第二實施例相比，第三實施例中省略了光束壓縮器和勻光器，因此成本會有所降低，但雷射器的排列要求會非常嚴格，因為所有的雷射都必須有效地耦合入直徑只有數毫米的相位擴散器54。並且，採用的雷射器個數會少一點，消散斑效果會低一點。該結構對亮度要求不那麼高，採用線寬相對寬的雷射器作為光源的投影儀系統較有效。
[0027]圖6示意性地示出了本發明第六實施例的結構圖。N個波長為532nm的雷射器61構成光源。這些雷射器先分別與多模光纖62稱合後,再與光纖功率合成器63熔合,實現合束。光纖功率合成器63的輸入端的多模光纖的芯徑較輸出端多模光纖64的芯徑小。光纖功率合成器63的輸入埠數可為7、19、37等，輸出埠數可為1、7、19、37等。為了實現雷射的充分混合，輸出端採用埠數為1、芯徑較小、長度較長的多模光纖，例如芯徑400微米、長度5米。與第二實施例相比，第六實施例中採用了光纖功率合成器63實現雷射的合束勻光，因此可靠性會有所提高，可合束的雷射器數量會增加，但成本會有所升高，雷射能量損失也會有所升高。
[0028]圖1示意性地示出了本發明第七實施例的結構圖。N個波長為532nm的雷射器通過第六實施例所不光纖功率合成器的合束勻光後，由多模光纖71輸出。從多模光纖71輸出的雷射經透鏡72，由錐形勻光器73進一步勻光。因為多模光纖的芯徑較小(一般小於I毫米)，應使用入射孔徑小，出射孔徑大的錐形勻光器。例如，Edmund Optics的Tapered LightPipe Homogenizing Rod(錐形光管均質杆)。由錐形勻光器73出射的雷射經透鏡74擴束，透鏡75匯聚後，進入相位擴散器76。與第二實施例相比，第七實施例中採用了多模光纖71和錐形勻光器73多次勻光，因此消散斑效果會更好，但成本會有所升高。
[0029]圖8示意性地示出了本發明第八實施例的結構圖。N個波長為532nm的雷射器通過第六實施例所不光纖功率合成器的合束勻光後，由多模光纖81輸出。從多模光纖81輸出的雷射經透鏡82、83擴束，透鏡84匯聚後，進入相位擴散器85。與第七實施例相比，第八實施例中省略了錐形勻光器，只採用了多模光纖81勻光，因此消散斑效果會低點，但成本會有所降低。
[0030]圖9示意性地示出了本發明第九實施例的結構圖。N個波長為532nm的雷射器通過第六實施例所不光纖功率合成器的合束勻光後，由多模光纖91輸出。從多模光纖91輸出的雷射經凸凹透鏡92、凸透鏡93擴束，凸透鏡94匯聚後，進入相位擴散器95。與第八實施例相比，採用了凸凹透鏡結合的方式，實現擴束。
[0031]值得一提的是，上述發明的實施例不應被認為具有限制意義，許多變化是可能的。例如，相位擴散器也可以是反射型的。如採用反射型相位擴散器，只需適當調整相位擴散器之後的光學部件的位置，以便有效接受從相位擴散器反射的光。
[0032]另外，上述發明所述的實施例對一套光路的消散斑方法進行了描述。上發明所述的消散斑方法也可分別應用於多套光路。每套光路雷射器的波長可以是相同的，也可以是不同的。
[0033]還有，上發明所述的實施例對一套光路中包含多個雷射器的消散斑方法進行了描述。上發明所述的消散斑方法也可應用於只包含單個雷射器的光路。
[0034]相關文獻:
[0035]專利文獻
[0036]US2008/0106779A1, Mark David Peterson, David Ell1tt Slobodin, 「LaserDespeckle Device」，2007 年 10 月 3I 日。
[0037]US7, 715, 084B2, Scott McEldowney 等人，「Retarder-based despeckle devicefor laser illuminat1n systems，，，2009 年 4 月 15 日。
[0038]US3, 633, 999, Middle Court, Middle Court, 「Removing speckle patterns fromobjects」, 1970 年 7 月 27 日。
[0039]US4, 511, 220A, Charles N.Scully, 「Laser target speckle eliminator」，1982年12月23日。
[0040]US6, 323, 984B1, Jahja 1.Trisnadi, 「Method and apparatus for reducinglaser speckle」，2000 年 10 月 11 日。
[0041]US6747781B2, Jahja 1.Trisnadi, 「Method, apparatus, and diffuser forreducing laser speckle」，2001 年 7 月 2 日。
[0042]其他文獻
[0043]J.W.Goodman 等人，「Speckle reduct1n by a moving diffuser in laserproject1n displays，，，Annual Meeting of the Optical Society of America, RhodeIsland, 2000 年。
[0044]L.Wang 等人，「Speckle reduct1n in laser project1n systems bydiffractive optical element，，，Appl.0pt.37，第 177-1775 頁，1998 年。
【權利要求】
1.一種具有消散斑功能的雷射投影系統，其特徵在於，由多個雷射器、合束勻光器、擴束器、相位擴散器、勻光器、光束整形器、投影晶片、投影鏡頭、以及一系列透鏡組成。
2.根據權利要求1所述的具有消散斑功能的雷射投影系統，其特徵在於，所述雷射器由排列於一圓弧上的N個雷射器構成，所述圓弧的中心與所述合束勻光器的入射面的中心重合。
3.根據權利要求1所述的具有消散斑功能的雷射投影系統，其特徵在於，所述合束勻光器由光束壓縮器、透鏡、勻光器構成。
4.根據權利要求1所述的具有消散斑功能的雷射投影系統，其特徵在於，所述合束勻光器由光束壓縮器和透鏡構成。
5.根據權利要求1所述的具有消散斑功能的雷射投影系統，其特徵在於，所述合束勻光器由勻光器和透鏡構成。
6.根據權利要求1所述的具有消散斑功能的雷射投影系統，其特徵在於，所述合束勻光器由透鏡構成。
7.根據權利要求1所述的具有消散斑功能的雷射投影系統，其特徵在於，所述合束勻光器由多模光纖功率合成器、透鏡、錐形勻光器、透鏡構成。
8.根據權利要求1所述的具有消散斑功能的雷射投影系統，其特徵在於，所述擴束器由一組凸透鏡構成。
9.根據權利要求1所述的具有消散斑功能的雷射投影系統，其特徵在於，所述擴束器由一凸凹透鏡和一凸透鏡構成。
10.根據權利要求1所述的具有消散斑功能的雷射投影系統，其特徵在於，所述相位擴散器由一隨機空間相位調製器構成。
【文檔編號】G02B27/48GK104252047SQ201310259800
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月26日 優先權日:2013年6月26日
【發明者】胡燁 申請人:Cq科技有限公司